自掩膜制备随机亚波长宽带减反射微结构的方法

技术领域

本发明属于微纳米加工和微纳米光学材料领域，具体涉及一种基于自掩膜刻蚀技术的亚波长减反射微纳结构的制备方法。

背景技术

高折射率材料所具有的高反射效率导致光学系统中能量不必要的损失，增透膜由于具有合适的低折射率能够降低反射以改进光学系统的质量。常用的光学基底如玻璃折射率约为1.5，增透膜的最佳折射率约为1.22 ，而现有的材料最小折射率为1.35左右，限制了物理减反射膜层的制备。而且物理镀膜的过程中容易引入杂质，降低光学元件的损伤阈值，影响他在高功率激光领域的应用。化学膜可以通过纳米多孔膜的形式实现低折射率，这种材料由一定体积的空气和基体材料组成，它的特征尺寸远小于光波波长，根据等效介质理论可以等效为一层光学薄膜，但是化学膜的纳米多孔形态具有很强的吸附性能，化学膜的抗污染性能差以及长时间稳定性不好，限制了其大规模应用。

亚波长表面结构是一种低折射率合成材料，这种材料由一定体积的空气和基体材料组成，根据等效介质理论可以等效为一层减反射层。它的折射率可以通过调节体占空比来达到所需要的低折射率。这种结构由于直接在材料本体上制备，可以避免杂质材料的引入，具有很高的损伤阈值，而且具有很好的机械性能和热稳定性。微结构具有开放式结构，吸附性能低，抗反射稳定性好，具有很好的替代物理膜和化学膜的优势。制备这种材料常用的光刻法受到光学衍射极限的限制不能制作更小特征尺寸的结构，而且制备过程极为复杂，造价昂贵，不适用于大批量工业化应用；而电子束衍射由于制备周期长，造价高昂，样品尺寸小等影响其广泛的应用；纳米平板印刷术利用胶体微球自组装作为反应离子刻蚀模板制备亚波长减反射表面结构，自组装技术很难制备大面积低缺陷密度的胶体微球模板成为制约其应用的主要因素。从以上介绍可知，需要提供一种高效低成本的加工方法来克服上述缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种高效低成本的基于自掩膜刻蚀技术的亚波长减反射微纳结构制备方法。

为了达到以上目的，本发明提供了一种基于自掩膜刻蚀技术的自掩膜制备随机亚波长宽带减反射微结构的方法，将玻璃基体置于具有混合反应气体的反应室中实施等离子体刻蚀制程，通过控制刻蚀参数使刻蚀过程中在玻璃基体的表面生成的纳米级岛状聚合物薄膜作为刻蚀过程的掩膜，以使在所述的玻璃基体的表面生成随机分布的折射率渐变的锥形减反射微纳结构。

具体的，该方法包括以下步骤：

1）元件清洗步骤，对所述的玻璃基体进行表面清洁；

2）设备初始化步骤，对等离子刻蚀设备进行初始化操作以确保产生等离子体辉光放电以及刻蚀条件稳定；

3）反应离子刻蚀步骤，控制刻蚀参数以利用干法刻蚀的草地效应对玻璃基体进行刻蚀处理；其中，所述的刻蚀参数包括等离子体的气体组分和气体流量、刻蚀工作气压、刻蚀功率和刻蚀时间。

作为本发明进一步的改进，所述的等离子体的气体组分包括CHF₃、SF₆以及He。 

作为本发明进一步的改进，所述的等离子体的气体流量如下：CHF₃流量为20~40sccm、He流量为100~200sccm、SF6流量为5~15sccm。

作为本发明进一步的改进，在所述的反应离子刻蚀步骤中反应离子刻蚀的功率为50~200w。

作为本发明进一步的改进，在所述的反应离子刻蚀步骤中反应室工作压强为50~2000mtorr。

作为本发明进一步的改进，在所述的反应离子刻蚀步骤中刻蚀的时间5分钟到60分钟，反应离子刻蚀时间的不同得到的微纳结构深度不同。

作为本发明进一步的改进，所述的锥形减反射微纳结构的特征尺寸小于实施的光波长。 

作为本发明进一步的改进，所述的玻璃基体包括熔石英、K9玻璃、BK7或者普通玻璃中任意一种。

本发明的有益效果如下：无需任何掩膜技术仅需调整反应离子刻蚀的工艺即可在基体表面制备减反射效果明显的亚波长微结构，突破模版技术的诸多限制，大大简化了工艺流程；可以在不同种类的玻璃表面制备亚波长微结构，突破材料的限制；该方法可以应用在任意面型的光学元件表面而不会破坏原来的结构，有利于实现具有复合功能的光学元件，有利于光学系统的集成化、小型化。

附图说明

图1描述了随机亚波长减反射微结构的产生过程；

图2 为玻璃表面的随机亚波长微结构的俯视视角的扫描电镜图；

图3为玻璃表面随机亚波长微结构的侧视扫描电镜图；

图4示出了不同刻蚀参数下亚波长微结构的透射谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

依据本发明的实现方法基于自掩膜刻蚀技术，将玻璃基体置于具有混合反应气体的反应室中实施等离子体刻蚀制程，通过控制刻蚀参数使刻蚀过程中在玻璃基体的表面生成的纳米级岛状聚合物薄膜作为刻蚀过程的掩膜。包括以下步骤：

1）元件清洗步骤，依次用丙酮、异丙醇和去离子水对玻璃元件进行超声波清洗；然后用硝酸和双氧水的混合溶液在高温下超声波清洗；最后用去离子水漂洗和喷淋；

2）设备初始化和等离子体稳定，以确认设备产生辉光放电，刻蚀参数可控；

3）反应离子刻蚀步骤，控制刻蚀参数以利用干法刻蚀的草地效应对玻璃基体进行刻蚀处理；其中，刻蚀参数包括等离子体的气体组分和气体流量、刻蚀工作气压、刻蚀功率和刻蚀时间。

在元件清洗步骤中，丙酮、异丙醇和去离子水超声波清洗的时间为10分钟；硝酸:双氧水=3:1，加热温度50~120摄氏度，超声波清洗的时间不少于90分钟；去离子水喷淋时间不少于2分钟。

在反应离子刻蚀步骤中，反应离子刻蚀的气体组分和流量如下：CHF₃流量为20~40sccm、He流量为100~200sccm、SF₆流量为5~15sccm；反应离子刻蚀的功率为50~200w，反应室工作压强为50~2000mtorr； 刻蚀的时间5分钟到60分钟，反应离子刻蚀时间的不同得到的微纳结构深度不同。

经过反应离子刻蚀以后的样品表面由随机分布的折射率渐变的锥形减反射微纳结构组成，锥形减反射微纳结构的特征尺寸小于实施的光波长，该结构具有优异的减反射性能。

实施例

     首先，将待加工的玻璃样片放置于丙酮中，超声波清洗10分钟；接着将玻璃样片放置于异丙醇中，超声波清洗10分钟；然后将玻璃样片放置于去离子水中，超声波漂洗10分钟；用去离子水喷淋2分钟后干燥。

然后对反应离子刻蚀设备进行等离子体清洗和稳定化操作，在初始化阶段采用的参数分别为设备清洗参数：反应离子刻蚀功率为100W，气体组分为O₂，流量为50SCCM，反应室工作压强为100mTorr，刻蚀时间5分钟；稳定化操作的参数：反应离子刻蚀功率为150W,反应室压强为500mtorr，SF₆流量为10sccm，CHF₃流量为25sccm，He流量为150sccm SCCM，处理时间1分钟。通过上述的等离子体清洗和稳定化过程，设备达到稳定的状态，可以进行反应离子刻蚀阶段。在该阶段中，可以采用在以上范围内的几种参数组合，给出4组可选择的对比例如下：

1号：CHF₃  35sccm  SF₆  8sccm  He  150sccm  功率 150w  压强  500mtorr  时间 30；

2号：CHF₃  28sccm  SF₆  8sccm  He  150sccm  功率150w  压强500mtorr 时间20；

3号：CHF₃  35sccm  SF₆  12sccm  He  150sccm  功率150w  压强500mtorr  时间30；

4号：CHF₃  35sccm  SF₆  8sccm  He  150sccm  功率150w  压强200mtorr  时间20。

以上给出了自掩膜技术刻蚀减反射微结构的工艺参数研究的实例。刻蚀中有三种状态：常规刻蚀；减反；毛玻璃。减反射结构产生的主要原因是通过刻蚀工艺的研究，使刻蚀过程中草地效应得以放大，以形成表面随机微纳米结构，实现减反射。

以下分别描述压强、刻蚀时间、气体组分对于减反射微结构的形成的作用。当改变刻蚀真空室中压强，其他参数不改变，若压强过高，如超过2000mtorr，形成的纳米岛状薄膜过多，导致样片表面产生的微掩膜过多，刻蚀的结果是粗糙度过大，得到毛玻璃；当压强过低时如小于50mtorr，形成纳米岛状薄膜较少，而且低压下等离子体轰击作用变强进一步导致纳米岛状薄膜被轰击刻蚀掉，所以样片表面不会产生微掩膜，状态为常规刻蚀。

改变刻蚀时间可以发现，即使能够刻蚀出减反射微结构的参数，长时间刻蚀如时间大于60分钟仍然会使玻璃表面变毛，这是由于过度刻蚀所造成的。另外，随着刻蚀深度的增加，样品表面的锥形结构的横向尺寸也会增加，会导致短波长部分的光的散射增加。根据理论，锥形结构的横向尺寸要满足如下条件才能避免散射：d<（波长/2* n_玻璃）其中n_玻璃为玻璃的折射率；另一方面，锥形结构的深度必须要满足如下条件才能达到最优的宽带减反射效果：h>0.4*波长，而且理论上深度越深，宽波长、减反射效果越好。当改变刻蚀气体组分时可以发现，CHF₃和SF₆的气体流量是制备这种亚波长微结构中关键的参数，CHF₃更多的作用是产生一定的聚合物掩膜，He的主要作用是产生物理轰击效果消除表面的聚合物掩膜，SF₆更多的作用是玻璃进行刻蚀，但是CHF₃和SF₆均会产生一定的刻蚀作用。

通过上述结果分析可知，通过选取合适的工艺参数，减反射微结构的产生关键作用在于刻蚀过程中同时产生纳米岛状聚合物薄膜作为进一步刻蚀的微掩膜而沉积在样品的表面，通过控制合适的刻蚀参数以保持刻蚀室内中的纳米岛状薄膜的生成速率和离子轰击对纳米岛状薄膜的去处速率达到一种平衡，导致稳定的微掩膜的存在，以放大干法刻蚀中的草地效应，由于本发明的目的为在光源元件的表面形成减反射的结构，该结构在功能上等同于薄膜，并且等效于折射率渐变的膜层（远离基体一侧小，靠近基体一侧大），根据菲涅尔反射理论入射光因此消除了在该表面的反射现象，反应气体中的He气的作用有利于增加等离子体的物理轰击作用，以保证反应过程中轰击掉部分纳米岛状薄膜稳定微掩膜生成率。

参考图2为自掩膜刻蚀得到的亚波长减反射微结构的扫描电镜俯视图，图3为亚波长减反射微结构的扫描电镜侧视图，该样品具有优异的减反射性能，从图中可以看出样品具有锥形结构，可以实现等效折射率渐变的特性，所以具有宽带减反射的效果；而图4为不同刻蚀参数下样品的透射特性（对应于实施例中1、2、3、4参数的样品），从图中可以看出随着刻蚀时间的增加，样品的减反射特性越来越好，这是由于刻蚀时间的增加，结构的深度越来越深，表面的锥形结构越容易实现宽带减反射的效果。另外从图4中可以看出，具有本发明结构的光学元件对于入射光均具有宽光谱减反射的效果，减反射波段从300nm~1400nm。

另外在上述实施例中，用于制备亚波长减反射微结构的样品为玻璃，可以是熔石英、普通石英、普通玻璃、K9玻璃等，另外，本方面的这种减反射微结构的制备过程具有另一个意想不到的效果，即该过程不仅局限于平面，而且可以适用于任意面型，可以在其他有一定表面结构的元件表面进行加工制作。

以上对本发明所提供的一种基于自掩膜刻蚀制备亚波长减反射微结构的方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法和核心思想，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。